Астрофизици обясниха как черни дупки и неутронни звезди светят ярко

Десетилетия наред учените спекулират с произхода на електромагнитното излъчване от региони в космоса, в които се намират черни дупки и неутронни звезди - най-мистериозните обекти във Вселената.

Астрофизиците смятат, че това високоенергийно излъчване - което кара неутронните звезди и черните дупки да блестят - се генерира от електрони, които се движат почти със скоростта на светлината, но процесът, който ускорява тези частици, остава загадка. Сега изследователи от университета "Колумбия" представиха ново обяснение за физиката, която стои в основата на ускорението на тези енергийни частици.

В проучване, публикувано в декемврийския брой на The Astrophysical Journal, астрофизиците Лука Комисо и Лоренцо Сирони използват масивни суперкомпютърни симулации, за да изчислят механизмите, които ускоряват тези частици. Те заключиха, че тяхното енергизиране е резултат от взаимодействието между хаотично движение и повторно свързване на суперсилни магнитни полета.

"Турбулентността и магнитното повторно свързване - процес, при който линиите на магнитното поле се разкъсват и бързо се свързват отново - взаимодействат, за да ускорят частиците, засилвайки ги до скорости, които се доближават до скоростта на светлината", коментира Лука Комисо.

"Районът, в който се намират черни дупки и неутронни звезди, е с от изключително горещ газ от заредени частици, а линиите на магнитното поле, завлечени от хаотичните движения на газа, водят до бързо магнитно възстановяване. Благодарение на полето, предизвикано от повторно свързване и турбулентност, частиците се ускоряват екстремно, много повече, отколкото в най-мощните ускорители на Земята, като Големия адронен колайдер в ЦЕРН."

При изучаване на турбулентния газ учените не могат да предвидят точно хаотичното движение. Справянето с математиката на турбулентността е трудно и представлява един от седемте математически проблема "Награда на хилядолетието". За да се справят с това предизвикателство от астрофизична гледна точка, Комисо и Сирони и проектират огромни суперкомпютърни симулации - сред най-големите в света, правени някога в тази изследователска област - за да разрешат уравненията, които описват турбуленцията в газ от заредени частици.

"Използвахме най-прецизната техника - методът на частиците в клетката - за изчисляване на траекториите на стотици милиарди заредени частици, които самостоятелно диктуват електромагнитните полета. И именно това електромагнитно поле им казва как да се движат", допълва Сирони.

Сирони обяснява, че решаващият момент на изследването е да се определи ролята на магнитното възстановяване в турбулентната среда. Симулациите показаха, че повторното свързване е основният механизъм, който избира частиците, които впоследствие ще бъдат ускорени от турбулентните магнитни полета до най-високите енергии.

Симулациите също така разкриват, че частиците събират по-голямата част от енергията си, подскачайки на случаен принцип с изключително висока скорост от турбулентните колебания. Когато магнитното поле е силно, този механизъм за ускорение е много бърз. Но силните полета също принуждават частиците да се движат по криволичещ път и по този начин излъчват електромагнитно лъчение.

"Това е радиацията, излъчвана около черните дупки и неутронните звезди, които ги карат да блестят, явление, което можем да наблюдаваме и на Земята", коментира Сирони.

Крайната цел, според изследователите, е да опознаят какво наистина се случва в екстремната среда, заобикаляща черните дупки и неутронните звезди, което би могло да хвърли допълнителна светлина върху фундаменталната физика и да подобри разбирането ни за това как работи нашата Вселена.

Те планират да обвържат работата си още по-сериозно с наблюденията, като сравняват прогнозите с електромагнитния спектър, излъчван от Мъглявината Рак, най-интензивно изучаваният ярък остатък от свръхнова (звезда, която бурно избухва през 1054 г.), като това ще е сериозен тест за теоретичното обяснение.

"Решихме важна връзка между турбулентността и магнитното повторно свързване за ускоряване на частиците, но все още има толкова много работа. Напредъкът в тази област на научни изследвания рядко е принос на шепа учени, той е резултат от сериозни усилия и сътрудничество", обяснява Комисо.

Други изследователи, като групата за плазмена астрофизика в университета "Колорадо Боулдър", дават важен принос в тази посока, допълва той.

В друго проучване, публикувано в списанието Nature, китайски астрономи описват подробно откритието си на черна дупка, кръстена LB-1, в Млечния път с маса около 70 пъти по-голяма от тази на слънцето. Преди това учените смятаха, че те могат да бъдат само около 20 пъти по-големи от масата на слънцето.

Изследователски екип от Китайската академия на науките използва многообектния спектроскопичен телескоп (LAMOST) в търсене LB-1. Използвайки LAMOST, екипът открива звезди, които се движат, обикаляйки в орбита около привидно невидим обект.

Последващи наблюдения с телескопи в Испания и САЩ водят до откриването на звезда, която е около осем пъти по-голяма от слънцето, обикалящо около черната дупка на всеки 79 дни. Масивната звезда обикаля в орбита на своя "тъмен спътник", разположен на около 15 хиляди светлинни години от Земята.

Според прессъобщенията, "такова търсене е като пословичното търсена на игла в купа сено: само една звезда от хиляда би могла да обикаля около черна дупка".

"Черни дупки с такава маса дори не трябва да съществуват в нашата галактика, според повечето съвременни модели на звездна еволюция", коментира водещият изследовател професор Лиу Джифън. "Смятахме, че много масивни звезди с химически състав, типичен за нашата галактика, би трябвало да изхвърлят по-голямата част от своя газ при мощни звездни ветрове, когато наближат края на живота си."

"Следователно те не трябва да оставят след себе си такъв масивен остатък. LB-1 е два пъти по-масивна от това, което сметяхме за възможно. Сега теоретиците ще трябва да се справят с предизвикателството да обяснят нейното формиране."

Някои звездни черни дупки се откриват, когато поглъщат газ от друга звезда. Това ги кара да отделят мощни енергийни емисии, но тези явления са нещо рядко срещано. Тъй като звездните черни дупки са толкова трудни за идентифициране, са измерени само двадесетина.

Астрономите смятат, че в галактиката Млечен път може да съществуват до 100 милиона черни дупки.

"Това откритие ни принуждава да преразгледаме нашите модели за това как се образуват черни дупки със звездна маса", обяснява професорът от Университета във Флорида Дейвид Рейце, директор на Обсерваторията за гравитационни вълни.

Последните проучвания на гравитационни детектори за вълни LIGO и Virgo откриха пулсации в космическото пространство-време, причинени от сблъсъци на черни дупки, които след това се сливат, за да създадат нови, по-големи. Но това е първият път, когато в Млечния път е открита черна дупка с такъв мащаб.

"Този ​​забележителен резултат, заедно с откритите с LIGO-Virgo сблъсъци на бинарни черни дупки през последните четири години, наистина насочва към ренесанс в нашето разбиране за астрофизиката на черните дупки", допълва Рйце.